原创 基于蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）胎压监测方案设计

    基于一种新的蓝牙技术——蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）新型的胎压监测系统（TPMS）的设计方案。鉴于蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）的低成本、低功耗、高稳定性等特点，适用于胎压监测系统，目前业界还没有出现类似的设计方案。本设计为直接式胎压监测系统，即在车辆轮胎上安装压力和温度传感器，通过蓝牙传输方式将胎压的信息传送给搭载蓝牙4.0的iPod、iPhone以及iPad，并在所安装的APP软件上显示实时数据。由此可实时监测车辆的胎压情况，并在胎压异常情况下发出报警。

引言：
    随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车安全越来越受到人们的重视。美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万交通事故是由于轮胎气压低或漏气造成的，同时75%的轮胎故障是由于轮胎充气不足或渗漏而引起的。美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006年10月31日期间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）。可见，TPMS的研究和投产势在必行。中国作为世界汽车消费增长最快的国家，相信不久将来政府也会制定类似法规。车厂对TPMS的重要性日益重视。

    TPMS主要用于实时监测汽车轮胎温度和压力，当压力和温度超出或低于标准值范围时，系统发出蜂鸣或光报警信号，从而有效的避免交通意外的发生。

1 蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）技术简介
    蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)2010年7月宣布，正式推出最新的蓝牙规范一Bluetooth V4.0技术。该技术拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。同时还拥有低成本，跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围。其主要技术特点如下：

◇高效率的发现机制：低耗能蓝牙技只用3个信道做广播信道，允许毫秒级快速建立连接，效率远高于传统蓝牙的32个信道方式。

◇少的数据频道和宽频道间隔：传统蓝牙有79个数据信道，频道间隔是1MHz；低耗能蓝牙有40个数据信道，频道间隔是2MHz。

◇低工作电流和超低睡眠电流：传统蓝牙的工作峰值电流一般是35mA，睡眠状态电流是0.01mA。而低耗能蓝牙的工作峰值电流是小于15mA，睡眠状态电流是0.004mA。 

◇低耗能蓝牙具有抗干扰能力更强、数据发送更快、工作效率更高、可与手机/计算机连接等优势，具有无可比拟的技术和市场优势，特别适用于近距离、小数据量、非频繁操作的应用场景，如医疗、健身监视器、腕式设备/手表、家电遥控器、玩具、手机、计算机及附件、工业自动化、电子游戏等。 

◇低成本：蓝牙4.0通信模块的单位成本已经减小到三美元左右。

 2.蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）TPMS系统介绍：
    TPMS系统采用直接式温度压力测量系统。该系统分为两个模块：蓝牙4.0通信模块和智能终端。蓝牙4.0通信模块利用车胎内的温度压力传感器和蓝牙4.0收发器，把数据发送给智能终端。实时监测轮胎的压力和温度，数据信号无线传送到智能终端上，并显示在相应APP程序界面上。当轮胎出现漏气、胎压过高或过低、温度过高等异常情况，手机会自动报警和显示轮胎状态，从而确保汽车行驶的安全。该系统特点是成本偏高，但监测效果较好，精确可靠。每个轮胎安装了高灵敏度的感应发射器，

安装TPMS系统的优势

o 1.防爆胎
实时监测轮胎气压和温度,防患于未然。

o 2.省燃油
保持正确的轮胎压力,降低汽车油耗。

o 3.减磨损
气压不足,会造成过度磨损(吃胎),缩短轮胎使用寿命。

o 4.低成本

只需一部搭载蓝牙4.0的智能显示终端且安装相应APP程序，链接之后，即可实时监控接收数据，省去了购买显示终端的费用，且具有相当好的便携操作性。

2.1 远程感应模块：
蓝牙4.0模块固定安装于4个车胎内部，负责数据的采集、简要处理及传输。其硬件结构包括压力温度传感器元件、MCU、蓝牙4.0通信模块、天线和供电设备，如图1所示：

图1 TPMS远程感应模块硬件结构图

传感器：选用Daytona传感器，它是一种表面微机械型电容性微机电系统(MEMS)单芯片压力传感器，包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必需电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出。Daytona的特点是专用于TPMS温度和压力测量：单片MEMS微机械压力感应单元；3V工作电压；低功耗、待机电流600nA；压力采样电流1.5mA；温度采样电流500uA；4种工作模式灵活运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质保护[2]。
MCU：该单片机为主要用来采集/控制/处理压力传感器与温度传感器数据功能,通过串口与蓝牙4.0通信模块连接.

蓝牙4.0通信模块：蓝牙4.0通信模块是采用TI德州仪器公司的蓝牙4.0单模式芯片CC2540。该芯片集成了增强型8051单片机（MCU）和低功耗蓝牙收发器，具有以下一些特点：

20个信道。

典型的发射功率为-23dBm一4.5dBm。

自适应跳频GFSK，最大传输速率为1Mbps。

在分组差错率为1％的情况下，其接收灵敏度为－97dBm。

邻近信道干扰>30dBm，间隔信道干扰>53dBm。

待机电流仅为0.4uA。

工作温度为－45℃到80℃。适用于恶劣的工作环境。

供电设备：使用专业的胎压监测系统电池，由于蓝牙4.0(Bluetooth Low Energy)和Daytona的低功率特点，其可有效供电2年以上。

2.2 接收显示端：
    透过搭载蓝牙4.0功能的iPod5、iPhone4S/5或者iPad3/mini，掌握你爱车的状况，即便是行驶中，也可以随时监测，显示独立每一轮胎的压力、温度资讯.你只需要拿起你的iPhone再搭配上嵌入蓝牙4.0通信模块的胎压监测器，在弹指之间，透过直觉式的界面设计，即可从容不迫的轻易的得知轮胎状况。

APP程序特点:

1.即时胎压胎温查看 异常变化主动警示

2.时尚主题选择

3.可建立爱车参数

4.TPMS功能设置

3 系统网络结构和协议
    蓝牙网络层（NWK）仅支持星形拓扑结构，即其网络由一个单独设备——搭载蓝牙的智能终端进行接收显示。终端设备直接和蓝牙4.0通信模块通信。位于4个轮胎里的蓝牙4.0通信模块由简单功能设备（RFD）组成。接收显示模块为搭载蓝牙4.0的移动终端设备。当终端开启激活蓝牙功能之后，它就可以开始建立一个自己的网络。通过选择一个PAN标识符可实现其唯一性，即在某个网络的覆盖范围内，该标识符不能被其它网络所使用。当选定PAN标识符以后，PAN协调器就可以允许其它设备加入该网络当中。在本系统中，蓝牙4.0通信模块有其唯一的64位IEEE地址，当终端发射端扫描到具有匹配的64位扩展地址的设备时，便允许其加入网络，并进行数据传输。所有的星形网络各自独立运行，就可以避免在车辆行驶中与其它蓝牙4.0设备产生干扰，造成数据丢失。

4 软件设计
首先应初始化系统，设置压力、温度的门阈值以及远程感应模块的设备ID。系统启动后，移动智能终端首先发送命令帧给蓝牙4.0通信模块，唤醒蓝牙模块的接收器。蓝牙4.0通信模块收到命令帧，返回确认帧，以告知车内接收智能终端已激活接收机。蓝牙4.0通信模块激活后，传感器首先采集数据，传递给MCU进行处理，然后通过蓝牙4.0通信模块将数据传输给接收显示模块，然后自动转入休眠状态。移动终端的接收装置在收到数据以后，MCU处理数据,并上传到应用程序软件上。通过与标准温度和压力数据门阈值的比较，判断是否产生告警，并把处理结果存储在MCU的RAM中，以供及时查询。最后将结果显示于移动终端显示屏上，以供驾驶员观测。系统每3秒钟激活一次远程感应模块采集数据；每30秒蓝牙4.0通信模块向移动智能终端传送一次数据。
系统的软件设计主要采用嵌入式操作系统，用C语言进行编程和调试。其软件流程如图3所示：

图3 TPMS软件流程图

5 系统误码率分析
蓝牙4.0(Bluetooth Low Energy)对于不同的信噪比的可以选用不同的消息传输速率，从而有效地降低误码率。由于本系统的蓝牙4.0通信模块放置于胎内，环境较为恶劣。运用低比特率、2字节消息的数据传输，可以保证较高的可靠性。对于本系统分析所得的消息误码率与信噪比的关系见图4：

图4 消息误码率VS信噪比

小结：通信技术和传感器技术的迅速发展，TPMS的结构也随之不断的更新，在降低功耗和成本的同时，也需要提供数据传输的可靠性和安全性。本系统主要是基于蓝牙4.0（Low Energy Bluetooth）技术的TPMS，能实时监控的车胎内的温度和压力，并能可靠地将数据发送到手机端，有效在各个方面提高TPMS的性能，具有一定的创新性，进一步增强了系统的实用价值。